Самолеты Р-Зет первой в январе 1936 года получила 43-я (бывшая 452-я) авиабригада в Харькове, где проходили войсковые испытания. Однако, лишь в конце мая - начале июня начали осуществлять поставку в крупных масштабах заменяя ими самолеты Р-5 и Р-5Ш. 34-я дальнеразведывательная эскадрилья в Монино полностью перешла на них с июня. В августе самолеты P-Z впервые приняли участие в учениях. Десять самолетов 90-й авиабригады, базировавшейся в Ржеве, были привлечены к маневрам Московского военного округа. 14 августа произошла первая катастрофа в 43-й бригаде - самолет, который летел на высоте 450 метров, загорелся и упал на землю. Экипаж погиб. Позже было установлено, что сломался коленчатый вал мотора, который перебил бензопровод.

Вначале при перевооружении предпочтение отдавалось легкобомбардировочным частям, но позже P-Z стали поступать и в войсковую авиацию в качестве ближних разведчиков. В сентябре 1936 года их начали получать 15, 18-й и 92-й авиаотряды в сентябре 1936 года.

На 1 октября укомплектованность частей новой техникой составила 82% от штатной. Стоит подчеркнуть, что летный и технический состав был не особенно рад переходу с самолетов Р-5 на Р-Зет, который был гораздо сложнее в пилотировании, его описывали как "капризный и неуклюжий". Уменьшение площади плоскостей ухудшило маневренность самолета и характеристики планирования. Многие жаловались на неудобство кабин, особенно задней, а также плохой обзор. Летом моторы М-34Н перегревались, зимой - переохлаждались, из них выбивало масло. Процент небоеспособных самолетов в частях, вооруженных Р-Зет, был значительно выше, чем в оснащенных Р-5 и ССС. Летчики сообщали о плохой приемистости - двигатель медленно набирал обороты, а при резком движении сектором газа мог и заглохнуть.

На 1 января 1937 года в ВВС РККА числилось 865 P-Z, из них 480 в строевых частях. К весне их стало еще больше. Например, в Харьковском военном округе на 1 марта имелось 118 машин. Четыре разведывательных эскадрильи там полностью перешли на P-Z. Вначале были довольно часты аварии. Последние партии самолетов поступили в строевые части приблизительно через полгода после прекращения серийного производства, в середине 1938 года.

В Испании

В конце 1935 года впервые рассматривался вопрос о поставке Р-Зет на экспорт, когда вышла первая серия. Правительство Турции попросило СССР продать 20-30 легких бомбардировщиков, однако самолеты P-5 их не устраивали. Турецкий запрос был отвергнут, т.к. планировалось оснастить новыми самолетами P-Z наши ВВС. Через два года Р-Зет попали за границу во время гражданской войны в Испании. Предполагалось использовать новые самолеты, но отправить все P-Z (количество увеличили вдвое) было невозможно. И 107-й авиабригаде в Серпухове предписали сдать и упаковать 12 своих самолетов. В итоге 50 машин отгрузили со склада в Рогани и 12 - с завода.

В середине марта первые самолеты уже были в Испании, укомплектовав 20-ю авиагруппу, состоявшую сначала из двух, а потом из трех эскадрилий. Каждая из них получила по 12 P-Z, названых испанцами "Наташа". Остальные остались в резерве. Экипажи были набраны из испанской морской авиации, т.к. у них была хорошая подготовка. Командовал группой русский - Котов, а командиры эскадрилий все были испанцами. В процессе переподготовки случилось три аварии, но во всех случаях самолеты удалось отремонтировать.

Во время сражения в Гвадалахаре впервые бросили в бой 20-ю группу. В известном разгроме итальянской моторизованной дивизии на Французском шоссе они не участвовали, но зато много работали под Бриуэгой. Первый боевой вылет состоялся 12 марта, когда еще итальянцы наступали, а самая большая активность была после 18 марта, когда республиканцы перешли в контрнаступление.

Самолеты P-Z действовали достаточно успешно в условиях временно достигнутого республиканскими ВВС превосходства. Летали днем, бомбили по одиночно, тщательно прицеливаясь. Итальянские механизированные части в условиях гор были привязаны к дорогам, и были хорошими мишенями для бомбардировщиков. Части противника не могли развернуть достаточно эффективной системы ПВО, и весь первый месяц у P-Z потерь не было.

На 12 апреля 1937 года в 20-й группе были три эскадрильи: в Мадриде - 14 самолетов, в Минаресе - 9 и в Вилья-Франка-де-Лос-Кабаньерос - 9. "Зеты" применялись как легкие дневные бомбардировщики, действовавшие по целям у линии фронта или в ближайшем тылу противника. В основном они бомбили пехоту, артиллерию и обозы, иногда железные и автомобильные дороги и заводы. Так, 23 апреля пятерка Р-Зет под прикрытием шести истребителей И-15 совершила вылет на бомбометание по войскам противника в Каталонии, в 11 км от Теруэля. На 25 апреля в строю имелось 25 исправных Р-Зет и шесть в ремонте. Значительно реже летали на разведку или патрулирование над морем. Например, 1 мая P-Z прикрывали пароход, идущий с военными грузами.

Сборку еще одной партии Р-Зет, поступивших из СССР закончили 9 мая. Прибытие новой техники дало возможность сформировать 50-ю отдельную эскадрилью. На 31 мая 28 самолетов P-Z, из которых были исправными 21, находились на аэродроме Вилья-Франка, 31 (30 исправных) - в Аргамасилье. Все лето 1937 года самолеты P-Z активно применялись на фронте, причем в отличие от ССС, продолжали летать днем как легкие бомбардировщики. В качестве разведчиков их не применяли, понимая уязвимость этих бипланов от истребителей. Самолеты начали нести потери. P-Z оказался уязвимым по отношению к зенитным средствам даже малых калибров. При поврежденном двигателе вынужденная посадка обычно приводила к поломке шасси. 2 июня один "зет" был подбит и сгорел при вынужденной посадке.

Истребители противника действовали активно. Так, 11 июня две пары "зетов" производили разведку близ линии фронта. Последняя пара была перехвачена "фиатами" и сбита. Один самолет упал на территории противника, второй дотянул до своих и совершил вынужденную посадку. При полетах большими группами P-Z отбивались от итальянских "фиатов" достаточно успешно. Традиционным приемом борьбы с ними было смыкание в плотный "клин" или "клин звеньев" и разгон на пологом пикировании. При этом все стрелки сосредотачивали огонь на головной машине противника, потом на следующей и так далее. 15 июня 1937 года таким образом сбили CR.32, атаковавший звено P-Z на отходе от цели. Кроме того, республиканские бомбардировщики обычно сопровождались истребителями И-15 из расчета один к одному. 7 июля 27 самолетов 20-й группы с прикрытием из 21 истребителя бомбили войска в районе Махадаонде, в ходе воздушного боя был сбит один "фиат".

Опасным противником для P-Z были немецкие истребители Мессершмитт Bf 109В, которые 9 июля 1937 года они сбили под Брунете сразу четыре P-Z. Испанцы обычно летали на задания группами, включавшими от 3 до 15 P-Z. Бомбили с горизонтального полета в зависимости от интенсивности зенитного огня с высоты 400 - 1000 м . В плохую погоду иногда сбрасывали бомбы даже со 150 - 200 м. Многие документы отмечают высокую точность бомбометания с "зетов", особенно при работе большими группами. Вероятно, самый крупный налет был 20 июня, когда 35 Р-Зет одновременно атаковали южные окраины Уэски. 11 июля совершили 80 самолето-вылетов, в это время в наличии имелось около 60 машин. В этот же день "«зеты" сами атаковали вражеские бомбардировщики. Хотя они никого не сбили, но нарушили строй "юнкерсов", поспешно сбросивших бомбы.

24 августа был большой успех.20-я группа совершила налет на аэродром в Сарагосе, уничтожив семь самолетов противника.

Все 46, оставшихся у республиканцев P-Z, в конце сентября были сведены в четыре эскадрильи 30-й группы. Из-за потерь число советских бипланов постоянно уменьшалось, в частности, из-за аварий. За первую половину 1938 года ремонтники смогли существенно пополнить авиапарк на фронте: в январе насчитывалось 29 боеспособных машин, в мае - 44. С 25 июля 1938 года почти все республиканские самолеты отправили в Каталонию, где началась битва у реки Эбро. Туда перелетела и одна из эскадрилий "зетов". Позже их применяли в основном на второстепенных участках фронта, поскольку республиканская авиация численно значительно уступала противнику. На Центральном фронте осталось девять СБ, три эскадрильи "зетов" (28 самолетов), а также девять "грумманов" и шесть ССС. Р-Зет там летали без прикрытия, реже - с сопровождением И-15.

К концу лета 1938 года, после боев под Теруэлем и на реке Эбро, у республиканцев оставалось 32-33 исправные машины. Осенью благодаря ремонтникам положение немного поправилось. На 1 октября числилось 40 "зетов" (все боеспособны), из них 11 в Каталонии и 29 - на Центральном фронте. 23 декабря 1938 года стал черным днем для испанских P-Z: группа бомбардировщиков встретилась с большим количеством итальянских истребителей, сбивших сразу девять машин, из которых четыре позже удалось восстановить. В 1938 году среднемесячные потери "зетов" составляли около 5%, безвозвратные - примерно половина от этого. Средний срок боевой службы Р-Зет оказался около 600 дней (СБ жил 172 дня). Это объясняется тем, что их редко применяли на важных участках фронта в активных операциях. В январе 1939 года война вошла в свою критическую фазу и пришлось летать часто, не считаясь с потерями. С окончанием гражданской войны две эскадрильи P-Z (20 самолетов) сдались франкистам в Баррахасе, а одна (13 машин) перелетела в Алжир и была интернирована французами. Вместе с возвращенными французскими властями машинами послевоенные испанские ВВС получили в общей сложности 36 P-Z в различном состоянии. Ими оснастили авиагруппу, дислоцировавшуюся в начале 1940-х гг. в Марокко.

Озеро Хасан

В строевых частях ВВС на 1 января 1938 года находился 751 Р-Зет, которыми были укомплектованы легкобомбардировочные и разведывательные эскадрильи, а также отряды войсковой авиации. Структура ВВС летом 1938 года претерпела значительные изменения. Основной структурной единицей стал полк, состоявший из 4-5 эскадрилий по 12 самолетов. Прежние отряды превращались в отдельные эскадрильи.

В этот период произошел вооруженный конфликт у озера Хасан. 24 июля штаб Дальневосточного фронта приказал перебросить на передовые площадки авиацию. Самолеты Р-Зет использовали как лидеры для групп истребителей И-15, перегонявшихся на аэродромы Барабаш и Сливянка. 29 июля японцы захватили приграничную сопку Заозерную, выбив оттуда подразделение пограничников. Обе стороны начали подтягивать силы. Противник пустил в ход артиллерию, СССР - танки. 31 июля командующий ДВФ Блюхер отдал распоряжение использовать авиацию. Три эскадрильи И-15 и одна эскадрилья "зетов" (восемь машин) атаковали позиции японцев на Заозерной 1 августа. Они сбросили мелкие осколочные бомбы и обстреляли противника из пулеметов. Позже в тот же день по сопке нанесли удары несколько групп бомбардировщиков СБ, а самолеты Р-Зет бомбили соседнюю высоту "68,8". С 500-1000 м они сбросили бомбы. Следом за ними высоту атаковали штурмовики ССС.

На следующий день советская авиация вновь атаковала позиции японцев. P-Z из 21-й и 59-й разведывательных эскадрилий весь день висели над районом боев, ведя разведку. Их привлекали и к бомбометанию. Вечером шестерка Р-Зет смогла нанести удар по скоплениям вражеских солдат на сопках Безымянная и Богомольная. В этот день потеряли один Р-Зет. Самолет командира звена Самойлова при взлете с аэродрома Шкотово врезался в гору. Экипаж погиб. Потом P-Z только вели разведку и патрулировали пограничную полосу. Наступление советских войск, закончившееся разгромом японцев, поддерживали более совершенные самолеты. Всего Р-Зет в конфликте у озера Хасан совершили 29 боевых вылетов. Стоит добавить, что на Хасане Р-Зет действовали в относительно благоприятных условиях. Противник не применял авиацию и не располагал значительным количеством зенитной артиллерии.

Операции в Польше

В сентябре 1939 года P-Z приняли участие в походе против Польши. Во время пересечения Красной Армией польской границы , P-Z вели разведку на путях продвижения колонн, выявляли места сосредоточения польских войск. На Украинском фронте имелись 2-й и 11-й легкобомбардировочные полки в Конотопе (в общей сложности 124 самолета). Как бомбардировщики они фактически не применялись. Противодействие польских ВС было минимальным, потери невелики. Всего за кампанию не более 2-3 машин получили повреждения от зенитной артиллерии и пулеметов.

В Белоруссии дислоцировались 8-й (Брянск, 40 Р-Зет) и 6-й (Витебск, тоже 40 самолетов) легкобомбардировочные полки. В Витебске стоял еще 5-й полк, переформировывавшийся в скоростной бомбардировочный. К моменту начала боевых действий он располагал двумя СБ и 39 Р-Зет. 5-й и 6-й полки включили в состав ВВС 11-й армии. Они занимались только разведкой. Уже с 22 сентября советские войска шли по территории, с которой уходили немцы.